(57)【要約】【課題】  メタネーションを防止し、水素生成率に優れる改質触媒を提供する。【解決手段】  炭化水素、分子酸素および水とを原料として水素含有改質ガスを生成するハニカムモノリス形状の改質触媒であって、前記触媒の原料入口から改質ガス出口に向かって空隙率が増加することを特徴とする。空隙率の変化によって最適空間速度が維持され、水素を消費するメタネーションを防止できる。【選択図】            図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素、分子酸素および水とを原料として水素含有改質ガスを生成するハニカムモノリス形状の改質触媒であって、
前記触媒の原料入口から改質ガス出口に向かって空隙率が増加することを特徴とする、ハニカムモノリス改質触媒。
【請求項２】
前記触媒の原料入口から改質ガス出口に向かって触媒コート層の厚さ減少させることで前記空隙率を増加させたことを特徴とする、請求項１記載のハニカムモノリス改質触媒。
【請求項３】
前記触媒の原料入口から改質ガス出口に向かってハニカムモノリス担体の隔壁厚みを薄くすることで前記空隙率を増加させたことを特徴とする、請求項１記載のハニカムモノリス改質触媒。
【請求項４】
前記触媒の形状が、原料入口から改質ガス出口に向かってその断面積を増大させ、前記空隙率を増加させたことを特徴とする、請求項１記載のハニカムモノリス改質触媒。
【請求項５】
炭化水素、分子酸素および水とを原料として水素含有改質ガスを生成する触媒粒子充填型の改質触媒であって、
前記触媒の原料供給口から改質ガス出口に向かって空隙率が増加することを特徴とする、触媒粒子充填型改質触媒。
【請求項６】
前記触媒の原料入口から改質ガス出口に向かって充填する触媒粒子の平均粒子径を増大させることによって、空隙率を増加することを特徴とする、請求項５記載の触媒粒子充填型改質触媒。
【請求項７】
前記改質ガス出口の空隙率に対する前記触媒の原料入口の空隙率の割合が、０．５以上１．０未満であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の改質触媒。
【請求項８】
前記触媒の原料入口から改質ガス出口に向かって、体積換算で、下流側半分に対する上流側半分の空隙率の割合が、０．２以上１．０未満であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の改質触媒。
【請求項９】
活性金属として貴金属を含有することを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の改質触媒。
【請求項１０】
前記活性金属がロジウムである、請求項９記載の改質触媒。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化水素、分子酸素および水とを原料として水素含有改質ガスを生成する改質触媒であって、より詳細には、触媒の原料入口から改質ガス出口に向かって空隙率を増加させ、水素生成率を向上させた改質触媒に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギー・環境問題を背景とした社会的要求や動向と呼応して、常温でも作動し高出力密度が得られる固体高分子型燃料電池が電気自動車用電源、定置型電源として注目されている。このような固体高分子燃料電池の水素源としては、純水素を利用するシステムのほかに、メタン、メタノール、ＬＰガス、都市ガス、天然ガス、軽油、灯油等などの炭化水素やアルコール類から水素を取りだして使う方法もある。炭化水素を原料として水素を生成するには、改質反応、シフト反応およびＣＯ除去反応を行うことが一般的である。
【０００３】
ここでメタンの改質反応では、メタンなどの炭化水素と酸素と水蒸気とにより、下記式で示される酸化および水蒸気改質反応とが並行して進行すると考えられる。
【０００４】
【化１】
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【０００５】
上記式で示すように、改質ガス中にはＣＯが副生するが、このＣＯは燃料電池の電極に用いられている白金系触媒の触媒毒として作用する。このため、このＣＯを白金電極触媒に無害なＣＯ２に転化する必要があり、下記に示すいわゆるシフト反応を利用して、改質ガス中に含まれるＣＯ濃度を１体積％程度にまで低減する。
【０００６】
【化２】
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【０００７】
しかしながら、シフト反応によってもわずかのＣＯが残存するため、更に、貴金属を担持したアルミナ等のＣＯ選択酸化触媒を用いてＣＯをＣＯ２に転化しており、これがシフト反応に続くＣＯ除去反応である。
【０００８】
【化３】
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【０００９】
上記した改質反応に使用する触媒としては種々存在し、例えば、チタン、アルミニウム、シリコン、ジルコニウム、ニッケル、鉄、コバルト、銅、亜鉛、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウムからなる群から選ばれる１種以上からなる触媒を触媒成分とし、これを金属ハニカムモノリス担体上に被覆してなる炭化水素改質触媒がある（特許文献１）。該特許文献においてハニカムモノリス担体上に上記触媒成分を被覆したのは、炭化水素に水や酸素を供給して触媒反応を介して改質して水素を得るといずれも加熱または発熱をもたらすため、熱の授受の制御を容易にするため、空隙の多いハニカムモノリス担体を使用したためである。
【００１０】
なお、改質触媒は、上記文献１のようにハニカムモノリス担体に触媒成分を担持させるものが使用されるが、これに限定されるものでなく、アルミナなどに触媒成分を担持させ、粒子状に調製した触媒を改質反応層に充填して使用することもできる。
【特許文献１】特開２０００−１２６５９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記したように、改質反応では、炭化水素を燃料として部分酸化すると水素ガスに加えてＣＯやＣＯ２が生成するため、上記式で示すように、供給原料モル数よりも改質ガス中に含まれる反応物モル数が大きくなる。改質ガスには高濃度の水素が含まれるが、反応物のモル数が増加するために、改質ガスの出口近傍では生成した水素のモル分圧が著しく上昇する。本来、触媒にはその触媒固有の最適空間速度が存在するが、上記理由によって改質ガスにおける最適空間速度を維持することができず、高濃度の水素とＣＯ、ＣＯ２とによって、下記式に示す逆シフト反応やメタネーション反応が生じやすくなる。
【００１２】
【化４】
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【００１３】
このような逆シフト反応によってＣＯ濃度は増加し、また、メタネーション反応によって水素は消費され、改質反応による水素生成率が著しく低下する。特に、改質反応の触媒活性を向上するとメタンが多く生成する傾向があり、全体として効率的な水素製造が困難となる。
【００１４】
本発明は上記現状に鑑み、水素を高濃度に供給できる改質触媒を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するため、改質触媒について詳細に検討した結果、従来のハニカムモノリス担体や触媒充填型の改質触媒において、原料入口と改質ガス出口との空隙率を変化させると、特に改質ガスに含まれる水素のモル分圧を低下することができ、これによって効率的にメタネーションを防止できること、しかもこのような空隙率の調整方法は、ハニカムモノリス担体の原料入口から改質ガス出口に向かって薄くなるようにコート層を被覆することなどで容易に達成できることを見出し、本発明を完成させた。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ハニカムモノリス担体の空隙率を変化させることで最適空間速度を確保することができ、副反応を抑制することができる。
【００１７】
本発明の改質触媒は、ハニカムモノリス担体の空隙率を変化させるものであり、従来使用されたいずれの触媒組成にも適用でき、効率的に副反応の抑制を行うことができる。
【００１８】
本発明によれば、副反応の抑制により高濃度の水素含有改質ガスを製造することができるため、搭載体積の少ない自動車などの燃料電池用改質反応装置として好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の第一は、炭化水素、分子酸素および水とを原料として水素含有改質ガスを生成するハニカムモノリス形状または触媒粒子充填型の改質触媒であって、前記触媒の原料入口から改質ガス出口に向かって空隙率が増加することを特徴とするハニカムモノリス改質触媒、または触媒粒子充填型改質触媒である。以下、本発明を詳細に説明する。
【００２０】
本発明の特徴は、ハニカムモノリス形状または触媒粒子充填型の改質触媒であって、前記触媒の原料入口から改質ガス出口に向かって空隙率が増加する点にある。空隙率を変化させることで、最適空間速度を確保し、水素を消費するメタネーションなどの副反応を抑制し、生産性高く水素を製造することができる。なお、本発明における「空隙率」とは、改質触媒層体積に対するガス流通可能体積である。
【００２１】
まず、ハニカムモノリス形状の改質触媒について説明する。本発明の特徴である空隙率の変化は、例えば図１に示すように、ハニカムモノリス触媒の原料入口から改質ガス出口に向かってハニカムモノリス担体に担持させる触媒コート層の厚さ減少させることで前記空隙率を増加させて調整することができる。
【００２２】
また、図２に示すように、ハニカムモノリス触媒の原料入口から改質ガス出口に向かってハニカムモノリス担体の構造体の隔壁厚みを薄くすることで前記空隙率を増加させてもよい。この際、図３に示すように、ハニカムモノリス構造体の隔壁が均一厚で成型されたハニカムモノリス担体に、原料入口から改質ガス出口に向かって薄くなるように下地材層を被覆し、前記空隙率を増加させてもよい。隔壁厚みの一定な公知のハニカムモノリス担体を用いる場合でも、非活性物質を用いて擬似的に隔壁厚みを制御し、結果としてガス流通路の体積が改質ガス出口側で増加するように調整することで、容易に空隙率を調整することができる。
【００２３】
更に、図４に示すように、ハニカム形状の触媒が、原料入口から改質ガス出口に向かってその断面積を増大させ、かつハニカムモノリス構造体の隔壁が均一厚で成型されたものであれば、ガス流通路の体積が改質ガス出口側で増加され、空隙率を増加させることができる。なお、図４において原料入口のハニカムモノリス担体断面積のセル数と、改質ガス出口近傍の断面積のセル数は同じである。
【００２４】
一方、ハニカムモノリス担体に担持させず粒子状の特定形状の筐体に触媒を充填する場合には、図５に示すように、原料入口から改質ガス出口に向かって充填する触媒粒子の平均粒子径を増大させると、空隙率を増加させることができる。なお、充填物の形状は、ボール、リング、ペレット、破砕充填物のように種々に選択することができる。
【００２５】
本発明では、改質ガス出口の空隙率に対する前記触媒の原料入口の空隙率の割合は、０．５以上１．０未満であることが好ましく、より好ましくは０．７〜１．０未満である。
【００２６】
また、前記改質反応触媒層の原料入口から改質ガス出口に向かって、体積換算で、下流側半分に対する上流側半分の空隙率の割合が、０．２以上１．０未満とすることが好ましく、より好ましくは０．７〜１．０未満である。例えば０．２を下回ると、触媒上流部が極めて閉塞した構造となり、この空間に反応ガスを通すことによって、高い圧力損失が発生し、送風機（ブロワー）に多大な負荷を生じさせる場合がある。また、０．２を下回ると、触媒下流側が極めて疎な構造である場合が想定されるが、構造の脆弱性によって自動車等の振動を有する移動体への適用が困難な場合がある。
【００２７】
本発明の改質触媒は、上記のように触媒の原料入口から改質ガス出口に向かって空隙率を変化させればよく、両者の空隙率比は上記範囲であればより好ましいのであるが、触媒の原料入口や触媒中央の空隙率自体は、使用する触媒組成や改質条件などによって適宜選択することができる。従って、従来の改質触媒成分のいずれにも本発明を応用することができる。例えば、特許公報昭４９−０１４３９４号公報や昭４９−１２７８９２号公報に記載される触媒成分を使用して、本発明のハニカム形状や触媒充填型の改質触媒とすることができる。
【００２８】
一方、本発明で好適に使用できる触媒成分は、担体に活性金属として貴金属を担持させたものをスラリー状に調製し、これをハニカムモノリス担体に担持させたものであり、以下の組成であることが好ましい。
【００２９】
貴金属としては、白金、ロジウム、パラジウムおよびルテニウムから選ばれる少なくとも１種類の貴金属元素、特に好ましくはロジウムを担持および焼成させて得たものがある。このような貴金属元素は水蒸気改質反応（例えば、ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２）に優れ、特にロジウムは耐久性や触媒活性にも優れるため好ましい。
【００３０】
該貴金属元素の担持量は、元素換算でそれぞれ触媒成分当たり０．１〜１０質量％、より好ましくは０．５〜４質量％である。この範囲で貴金属元素が担体上で分散性よく担持され、その結果高い触媒活性を確保される。
【００３１】
該貴金属を担持する担体としては、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化セリウム、セリウム−ジルコニウム複合酸化物などを使用することができる。
【００３２】
上記酸化アルミナなどへの貴金属の担持は、貴金属元素を含有する触媒調製溶液を用いて、含浸法、共沈法、競争吸着法など各種公知技術を用いて調製することができる。処理条件は各種方法に応じて適宜選択することができ、通常は、２０〜７０℃で０．５〜２０時間、担体と該触媒調製液とを接触させる。例えば、上記貴金属元素を含む化合物を溶解または分散した触媒調製溶液を用い、該担体を含浸させ、これを乾燥および焼成して焼成物を得てもよい。このような溶液としては水のほか、メタノール、エタノールなどのアルコール類、ジエチルエーテルなどのエーテル類、カルボン酸類、一般的な有機溶媒等、上記元素を含む化合物が溶解できる溶媒を広く使用することができる。
【００３３】
その後、触媒担持担体を乾燥するが、乾燥方法としては、例えば自然乾燥、蒸発乾固法、ロータリーエバポレーター、噴霧乾燥機、ドラムドライヤーによる乾燥などを用いることができる。これらの手段を施した後焼成する。該焼成温度は、３００〜６００℃で、焼成時間は３０〜６００分で十分である。
【００３４】
本発明では、貴金属と共に、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、亜鉛、クロム、または銅から選ばれる少なくとも１種類の元素を担持させたものであってもよい。これらの添加によってＨ２生成率が向上するからである。これらの添加成分は、上記貴金属元素の担持と同時に行ってもよく、別個に担持させてよい。別個に貴金属元素を担持させるには、添加成分を担持させた担体を、貴金属元素を含有する化合物を溶解しまたは分散させた溶媒中で含浸させ、その後に焼成すればよい。なお、含浸法のほか、共沈法、競争吸着法など各種公知技術を用いることができる。
【００３５】
次いで上記触媒をハニカムモノリスに担持させる。ハニカムモノリスを使用すると、改質装置の触媒充填部への触媒の充填が容易であり、かつハニカムモノリス構造によって原料ガスや改質ガスの通気性が確保できるからである。また、原料ガスを供給した際に、該触媒を熱や焼成から防ぐことができ、触媒寿命および触媒活性を向上させることができる。
【００３６】
ハニカムモノリスを構成する素材としては、セラハニカム（セラミックス、２００セル〜３０００セル、直径３５ｍｍφ）、メタルフォーム（Ｎｉ−Ｃｒ、２０ pores/inch〜５０ pores/inch、直径１００ｍｍφ）および／またはセラフォーム（セラミックス、９ pores/inch〜３０ pores/inch、直径７５ｍｍφ）等があり、いずれを使用してもよい。セラハニカム、メタルフォーム、セラフォームは圧力損失に優れコーティング技術が容易であり好ましい。
【００３７】
なお、図２に示すようにハニカムモノリス構造体の隔壁を変化させるには、ハニカムモノリス構造体の成形時に、剣山のような細い無数の錐を有する成型オス型にハニカムモノリス前駆体を注入し、脱型すれば得ることができる。また、図４に示す円錐形状も上記と同様に、成型オス型とハニカムモノリス外周が同様に錐をなす成型メス型を用いることでうる事ができる。
【００３８】
ハニカムモノリスへの触媒の担持は、予め上記触媒を１〜１０倍の水で攪拌及び粉砕して触媒スラリーを調製し、これをハニカムモノリスに塗布し、該ハニカムモノリスを乾燥および焼成しても製造することができる。この際、図１に記載するように触媒コート層の厚さを変化させるには、例えば触媒スラリーの塗布後、乾燥しきらずかつコート層の粘度が上昇した際に、一方から通風して触媒コート層を偏らせればよい。図３に示すように下地材層を被覆する場合も、上記と同様にして調整することができる。なお、下地材としては、例えば酸化アルミナなどの、貴金属を担持させるために使用した担体成分を使用することができる。
【００３９】
一方、図５に示す充填型の場合には、上記触媒スラリーを粉状、顆粒状などに成形すればよい。充填方法は、触媒充填時に下流触媒から充填するときには粒子径の大きな触媒から順次小型の触媒粒子を充填し、逆に上流触媒から充填するこきには小型の触媒から順次大型の触媒を充填すればよい。
【００４０】
本発明の改質触媒は、ハニカム形状であるか充填型であるかを問わず、触媒の平均貴金属量は、触媒１リットル当たりに換算して、０．１〜１２ｇ、より好ましくは２．４〜４．０ｇである。０．１ｇを下回ると水素発生量が十分でなく、１２ｇを超えると、貴金属が凝集して触媒活性を発揮できない場合がある。
【００４１】
本発明の改質触媒に供給する原料ガスは、炭素数１〜２０の炭化水素、例えば、メタン、エタン、プロパン、ブタン、イソブタン、ペンタン、イソペンタン、ヘキサン、イソへキサン、オクタン、イソオクタン、ノナン、イソノナン、デカン、イソデカン等がある。改質装置に供給する際の炭化水素の濃度は、１〜１０体積％であることが好ましく、より好ましくは１〜５体積％である。また、原料ガスの供給量は、触媒充填部に対してＧＨＳＶが２，０００〜２００，０００ｈ−１である。
【００４２】
本発明に係る改質触媒は、上述の通り触媒の原料入口から改質ガス出口に向かって空隙率が増加させたため、メタネーションなどの副反応を抑制でき、効率的な水素生産を達成できる。このため、搭載範囲の制限される自動車などでも有効に使用することができる。
【実施例】
【００４３】
以下、実施例により本発明を説明する。
【００４４】
本発明で使用する改質触媒の調製方法は以下の通りである。
【００４５】
（比較例１）
酸化アルミニウム粉末上に５質量％に相当するロジウムが担持されているロジウムアルミナ触媒１００ｇに、焼成後重量にして１０ｇに相当するアルミナゾル、水を加えて３時間分散、乳化して、触媒スラリーを得た。この触媒スラリーを４００セルの１００ｍｌコージェライトハニカムモノリスに、触媒の上下端が均一厚さになるように塗布した後に、乾燥焼成して触媒を得た。この触媒は、触媒コート層が均一であった。
【００４６】
（実施例１）
比較例１と同様に操作して触媒スラリーを得た。比較例１で使用したハニカムモノリスに、この触媒スラリーを塗布し、触媒使用時に下流側に相当する部位を上に向けて３０分間室温に放置した。その後、該触媒下方に外気を吸引する吸引器を設け、該吸引器により残存スラリーを吸引除去した。次いで比較例１と同様に乾燥焼成して、触媒を得た。この触媒は、図１に示すようにガス流の下流側に向かって触媒コート層が薄くなっていた。
【００４７】
（実施例２）
下記方法に従って、実施例１で得た触媒の評価を行った。
【００４８】
触媒５ｃｃについて、イソオクタン５体積％、水６３体積％、酸素６体積％（窒素バランス）なる評価ガスを用いて、触媒温度６００℃にて評価した。実施例１の触媒においては、２．９体積％のＣＨ４と８．５体積％のＣＯを得た。なお、実施例１の触媒の転化率は１００％であった。
【００４９】
（比較例２）
比較例１の触媒を使用し、実施例２と同様にして触媒を評価した。この結果、出口ガス中３．５体積％のＣＨ４と８．１体積％のＣＯを得た。なお、比較例１の触媒の転化率は１００％であった。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本願発明の好ましい態様の一例であって、ハニカムモノリス触媒の原料入口から改質ガス出口に向かって触媒コート層の厚さを減少させることで空隙率を増加させたものを示す図である。
【図２】本願発明の好ましい態様の一例であって、触媒の原料入口から改質ガス出口に向かってハニカムモノリス担体の隔壁厚みを薄くすることで前記空隙率を増加させたものを示す図である。
【図３】本願発明の好ましい態様の一例であって、ハニカムモノリス触媒の原料入口から改質ガス出口に向かって下地材層の厚さを減少させて被覆することで空隙率を増加させたものを示す図である。
【図４】本願発明の好ましい態様の一例であって、原料入口から改質ガス出口に向かってその断面積を増大させ、前記空隙率を増加させることで空隙率を増加させたものを示す図である。
【図５】本願発明の好ましい態様の一例であって、触媒の原料入口から改質ガス出口に向かって充填する触媒粒子の平均粒子径を増大させることによって、空隙率を増加させたものを示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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